CN100459196C - 半导体器件、制造电极的方法以及制造半导体器件的方法 - Google Patents

半导体器件、制造电极的方法以及制造半导体器件的方法 Download PDF

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Abstract

一种半导体器件，包括：p型氮化物半导体层(14)；以及p侧电极(18)，包括连接到所述氮化物半导体层(14)的表面的氧化钯膜(30)。

Description

半导体器件、制造电极的方法以及制造半导体器件的方法
技术领域
本发明涉及氮化物基半导体器件、制造p型氮化物半导体层的电极的方法，以及制造氮化物基半导体器件的方法。
背景技术
由于半导体发光元件具有小尺寸和长寿命，现有的发光器件正处于被半导体发光元件替代的过程中。例如，采用受激发射的半导体激光二极管(LD)正用于显示设备、存储器设备例如光盘设备等。由于其提高的亮度，采用自发发射的半导体发光二极管(LED)正用于显示设备等。
近来，LED已被用于照明。由于LED比白炽灯更有效且产生更少的热量，人们认为由LED替代白炽灯在将来将继续进展。LED潜在地具有使电转换为光的效率提高到接近100％的能力。然而，LED具有工作电压降低的问题。并且，在替代荧光灯时，存在效率、热量产生和工作电源的问题。
氮化物半导体是强晶体，因此可利用大电流和高电压。对于除了LED的半导体器件而言，氮化物半导体也可提供超过例如砷化镓(GaAs)和硅(Si)的半导体的性能的特性。然而，在氮化物半导体中，很难提供具有低接触电阻的电极，对于p型半导体层而言尤其如此。
关于氮化物半导体发光元件，为了提供具有低接触电阻的对p型层的电极(下文中称为p侧电极)，已提议使用至少包含钯(Pd)的金属(参考日本专利号3233258)。另外，已公开了其中使用镍(Ni)和钯(Pd)金属的氧化物的技术(参考日本专利号3230463)。然而，在上述技术中的每一种中，氮化物半导体发光元件的工作电压很高，并且没有充分降低接触电阻。
如果对半导体层供电的电极的接触电阻很高，则发生高工作电压，并引起提高半导体器件的工作效率的问题。另外，通过由高接触电阻引起的在半导体层和电极之间的界面处产生的热量，电极与电极附近的半导体层一样被损伤，这导致半导体器件可靠性的降低。此外，衬垫电极例如金(Au)设置在半导体器件的电极上，用于布线例如金属线接合。Au可通过电极金属的晶界扩散到半导体层中。扩散的Au引起半导体器件的漏损，并产生半导体器件的可靠性问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种半导体器件，其中可以实现低工作电压，并可以提高可靠性。
本发明的第一方面在于一种半导体器件，包括：p型氮化物半导体层；以及p侧电极，包括连接到所述氮化物半导体层的表面的氧化钯膜。
本发明的第二方面在于一种制造电极的方法，包括以下步骤：在p型半导体层上沉积钯膜；以及通过在氧气氛中退火所述半导体层以便氧化邻近所述半导体层的所述钯膜，形成氧化钯层。
本发明的第三方面在于一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：在衬底上生长包括发光层的外延生长层，并在所述外延生长层上生长p型接触层；在所述接触层上沉积钯膜；以及通过在氧气氛中退火所述衬底以便氧化邻近所述接触层的所述钯膜，形成氧化钯层。
附图说明
图1是示出了根据本发明第一实施例的半导体器件的实例的截面图；
图2是示出了根据本发明第一实施例的p侧电极的实例的截面图；
图3是示出了根据本发明第一实施例的p侧电极的AES测量结果的实例的图；
图4是示出了根据本发明第一实施例的p侧电极的XRD测量结果的实例的图；
图5是示出了根据本发明第一实施例的半导体器件的电流-电压特性的实例的图；
图6至图10是示出了根据本发明第一实施例制造半导体器件的方法的实例的截面图；
图11至13是示出了根据本发明第一实施例制造p侧电极的方法的实例的截面图；
图14是示出了根据本发明第一实施例的p侧电极的AES测量结果的另一实例的图；
图15是示出了根据本发明第二实施例的半导体器件的实例的平面图；以及
图16是示出了根据本发明第二实施例的半导体器件的实例的截面图。
具体实施方式
将参考附图说明本发明的各种实施例。应注意，附图中相同或类似的参考标号用于相同或类似的部件和元件，并且将省略或简化对这些相同或类似的部件和元件的说明。
(第一实施例)
如图1所示，作为根据本发明第一实施例的半导体器件的蓝色LD包括在衬底10上的外延生长层12、接触层(p型半导体层)14等。接触层14和部分外延生长层12提供台面形的脊。氮化物半导体衬底例如氮化镓(GaN)用作衬底10。外延生长层12包括n型GaN层、n型氮化铝镓(AlGaN)覆层、n型GaN导层、氮化铟镓(InGaN)多量子阱(MQW)层、p型GaN导层、p型AlGaN覆层等。p型半导体层例如GaN用作接触层14。注意，LD的发光层是在外延生长层12中的MQW层。
在包括接触层14的边缘部分和外延生长层12的前表面的脊的侧表面上设置绝缘膜16。在部分绝缘膜16和绝缘膜16的开口部分中的部分接触层14的前表面上设置p侧电极18。在p侧电极18和绝缘膜16的前表面上设置衬垫电极20。另外，在衬底10的后表面上设置n侧电极22。
如图2所示，根据本发明第一实施例的p侧电极18包括连接到接触层14的前表面的氧化钯(PdO)膜30、在PdO膜30上的Pd膜32以及在Pd膜32上的铂(Pt)膜34。具有低电阻率且其上可容易地进行金属线接合的金属例如Au用于衬垫电极20。层叠金属膜例如钛(Ti)/Pt/Au用于n侧电极22。
在本发明的第一实施例中，p侧电极18包括在Pd膜32上的Pt膜34。Pt用作抵抗金属材料例如Au的扩散阻挡膜。因此，可以防止Au从衬底电极20的扩散，并提高LD的可靠性。
在本发明的第一实施例中，通过在接触层14上沉积并退火Pd膜32和Pt膜34，形成PdO膜30。例如，在半导体层例如GaN的前表面上沉积Pd金属，并在氧(O2)气氛中低压例如约10Pa下且在低于400℃的温度例如约390℃下退火约100分钟。随后，通过结合溅射的俄歇电子能谱(AES)，测量作为Pd/PdO/GaN结构中的深度的函数的元素分布。
如图3所示，分别评价关于溅射时间的俄歇电子能谱中的Pd、O和Ga的AES峰值强度的变化。O的AES峰值在GaN半导体层和Pd膜之间的界面附近的Pd膜中。结果，可以理解，保留在GaN半导体层和Pd膜之间的界面中的O2与Pd反应。
另外，通过退火形成的PdO膜的晶格结构由X射线衍射测量。如图4所示，XRD强度谱的主峰IPa邻近与具有硫化铂(PtS)结构的PdO膜的晶格结构相对应的衍射角2θ。作为比较实例，在图4中也示出了在不低于400℃的温度下退火的PdO膜的XRD强度谱。注意，利用与本发明的第一实施例的条件相同的条件进行用于比较实例的退火。与比较实例的主峰IPb相对应的衍射角2θ在比主峰IPa角度小的一侧中。并且，峰IPb的半高全宽度宽于峰IPb的半高全宽度。
作为不同于PtS结构的PdO晶体的晶格结构，已知氧化钴(CoO)结构。CoO结构型PdO晶体的衍射角2θ在比PtS结构型PdO晶体角度小的一侧中。在比较实例中，应理解，混合在PtS结构型PdO晶体中的CoO结构型PdO晶体的含量在比较实例中增大。由在p型GaN半导体层上的Pd/PdO膜测量的电流-电压特性可知，可以通过增大CoO结构型PdO晶体的含量而增大接触电阻。例如，已基于各PtS和CoO结构型PdO晶体的晶格结构计算了X射线散射强度，以实现与测量的XRD强度谱的拟和。结果，确定了在PdO膜中的PtS结构型PdO晶体的百分比含量不小于约50％的情况下，可以获得没有整流特性的有用的且优选的电特性。
在根据本发明第一实施例的LD中，如图5所示，可以理解，p侧电极18和n侧电极22之间的电流-电压特性不具有整流特性，从而可以在低电压下注入载流子。图2中所示的PdO膜30的厚度可以为例如小于等于10nm如此小。并且，PdO晶体用作半导体以降低在p型GaN半导体层和Pd膜32之间产生的势垒。因此，可以通过场发射或热离子发射越过p型GaN半导体层和Pd膜32之间的势垒注入载流子。
在具有与图1所示的LD相同的结构的另一比较实例中，其中p侧电极使用未被退火的Pd膜，在图5所示的电流-电压特性中观察到整流特性。p型GaN半导体层和Pd膜之间的势垒高度约为1.5eV。由此，在低电场下，势垒高度不能降低为足以通过热离子发射越过势垒注入载流子。
为了产生PtS结构型PdO晶体，在O2气氛中和低压下退火PdO膜就足够。当在低压下退火时，将压力调整为通过使用真空泵引入O2气和抽真空。例如，在大气压下退火p侧电极18的情况下，需要花费很长时间以充分氧化Pd膜。并且，在氮气(N2)气氛中退火的情况下，不能进行Pd膜的氧化。此外，在降低的压力下在空气中退火的情况下，可以获得类似于O2气氛的效果。然而，因为在空气中包含的水分不均匀地附着到p电极的前表面，以致不均匀地氧化PdO膜，Pd膜的氧化的均匀性劣化，且其成品率下降。
在根据本发明第一实施例的p侧电极的制造方法中，最好在约200℃至约400℃的温度范围内退火Pd膜。如果退火温度低于约200℃，则氧化很难进行。此外，如果退火温度为约400℃或更高，如上所述，产生CoO结构型PdO晶体，从而增大接触电阻。注意，在包括CoO结构型PdO晶体的PdO膜中，虽然接触电阻增大，但未观察到整流特性。并且，在约750℃至约850℃的高温下，PdO膜可变为绝缘体，从而不适合作为电极。
另外，在退火之后，以低速率降低温度很有效。具体地，通过以0.1℃/s将温度从退火温度降低到约200℃，则可有效降低LD的工作电压。
将利用图6至图10所示的截面图说明根据本发明第一实施例的半导体器件的制造方法。
在通过有机溶剂和酸预处理衬底10例如n型GaN之后，将衬底10装载在金属有机化学气相沉积(MOCVD)装置的生长室中。如图6所示，通过MOCVD在衬底10上生长外延生长层12和p型GaN接触层14。作为外延生长层12，依次生长Si掺杂的n型GaN层、Si掺杂的n型氮化铝镓(AlGaN)覆层、n型GaN导层、氮化铟镓(InGaN)多量子阱层、p型GaN导层、以及Mg掺杂的p型AlGaN覆层。
如图7所示，通过光刻等形成抗蚀剂膜80。通过干法蚀刻例如反应离子蚀刻(RIE)等，通过使用抗蚀剂膜80作为掩模，选择性去除接触层14和外延生长层12，以形成脊结构。通过抗蚀剂去除剂去除抗蚀剂膜80。
如图8所示，通过化学气相沉积(CVD)等在外延生长层12和接触层14的前表面上沉积绝缘膜16，例如氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)。为了暴露接触层14的前表面，在绝缘膜16中形成开口。
通过使用盐酸(HCl)、王水等预处理，去除在绝缘膜16的开口中暴露的接触层14的前表面上的自然氧化物膜。通过电子束(EB)蒸发等，在接触层14和绝缘膜16的前表面上依次沉积其厚度约为10nm的Pd膜和其厚度约为50nm的Pt膜。注意，Pd和Pt膜不限于上述厚度。Pd和Pt膜可分别以约5nm至约50nm和约10nm至约500nm的厚度范围沉积。如图9所示，通过光刻、RIE等选择性去除Pd和Pt膜，以形成p侧电极18。注意，为了增大Pd和Pt膜之间的附着力，可以在Pd和Pt膜之间沉积其厚度约为5nm的钛(Ti)膜。
通过退火氧化p侧电极18中的PdO膜，与图2中所示的类似地，形成PdO膜。退火条件为例如在O2气氛中低压下，且在约390℃的温度下退火约100分钟。如图10所示，通过真空沉积、光刻等沉积衬垫电极20的金属膜，例如Au，以覆盖p侧电极18。
通过研磨等，从其后表面将衬底10的厚度减小到约150μm。通过真空沉积等，沉积如图1所示的n侧电极22的n侧电极的金属膜。对于n侧电极22，例如，依次沉积其厚度分别为约100nm、约50nm和约500nm的Ti、Pt和Au膜。在形成n侧电极22之后，通过解理形成光学共振器，以同时分离为LD芯片。在面对光学共振器的镜面的每个对上形成高反射膜和低反射膜的每个介电多层膜。通过在热沉上安装芯片而制成LD。
当激光束的输出功率为约200mW时，制成的LD具有约3.3V的工作电压。由于制成的LD的p侧电极18的接触电阻低于比较实例，因此制成的LD的工作电压低于比较实例。由于较小的接触电阻，可以抑制在p侧电极和接触层14之间的界面处的热量产生。结果，在p侧电极18和p侧电极18附近的接触层14中抑制了损伤。由此，可以提高LD的可靠性，且还可提高工作寿命。
例如，通过在约80℃的环境温度下的加速寿命试验，检测LD的可靠性。在加速寿命试验中，即使当已进行了等效于约100,000小时的可靠性试验时，也没有观察到劣化。由此，在根据本发明第一实施例的LD中，可以实现低的工作电压，并且可提高可靠性。
在根据本发明第一实施例的p侧电极18中，如图2所示，在Pd膜32上设置作为扩散阻挡膜的Pt膜34。扩散阻挡膜不限于Pt膜。其它金属，例如Ni，也可用作扩散阻挡金属。
例如，如图11所示，通过EB蒸发等在p型GaN接触层14上依次沉积其厚度分别为约10nm、约40nm和约100nm的Pd膜32、Ni膜36和Au膜38。注意，Pd膜32、Ni膜36和Au膜38的厚度不限于上述厚度。Pd膜32、Ni膜36和Au膜38可分别以约5nm至约50nm、约10nm至约500nm和约100nm至约800nm的厚度范围沉积。
如图12所示，通过在约O2气氛中低压下，且在约390℃的温度下退火约100分钟，形成p侧电极18a。由于退火，Pd膜32被氧化，从而在接触层14上形成PdO膜30。在退火期间，Ni膜36也被氧化，从而在Pd膜32上形成第一含Ni膜40。另外，在退火以在Au膜38的前表面上被氧化的退火期间，Ni原子扩散到Au膜38中。由此，在Au膜38上形成第二含Ni膜42。
通过使用酸等的湿法蚀刻，去除第二含Ni膜42。如图13所示，通过蒸发等在p侧电极18b中Au膜38上形成衬垫电极20。注意，衬垫电极20可以形成在p侧电极18a上而不去除第二含Ni膜42。
关于p侧电极18b，通过结合溅射的AES，检测作为深度的函数的元素分布。例如，如图14所示，从Au膜38的前表面依次观察各Au、Ni、Pd和Ga的AES峰值的分布。在Ni膜中，观察到O。在Pd和Ga之间的界面中，也观察到O。在退火期间，Ni扩散到Pd中，但未到达与GaN的界面。由此，在Pd膜32和接触层14之间形成PdO膜30。已确定由此形成的PdO膜30主要包括PtS结构型PdO晶体并具有低接触电阻。
另外，可以理解，在第一含Ni膜40中包括Ni金属和氧化Ni。氧化Ni是半导体并具有导电性。注意，在第二含Ni膜42中也包括Ni金属和氧化Ni。已通过AES确定在第一含Ni膜40中包含的O的摩尔分数小于第二含Ni膜42。
可以理解，在第一含Ni膜40中的Ni金属和氧化Ni用作扩散阻挡层。因此，可以提高LD的可靠性。
(第二实施例)
如图15所示，作为根据本发明第二实施例的半导体器件的LED包括在p型GaN接触层14上设置的p侧电极18c和在n型GaN接触层54上设置的n侧电极22。在p侧电极18c的表面中在与n侧电极22相反侧上设置衬垫电极20。
通过MOCVD生长LED的氮化物半导体层。例如，如图16所示，在衬底50例如蓝宝石的前表面上生长缓冲层52例如AlN。在缓冲层52上依次生长n型GaN接触层54、n型InGaN发光层56、p型AlGaN帽层58、以及p型GaN接触层14。
对接触层14的前表面进行使用王水等的预处理。随后，通过EB蒸发等在接触层14的前表面上沉积其厚度约为50nm的Pd膜32。通过光刻、RIE等选择性去除Pd膜32，以形成p侧电极18c。在O2气氛中约10Pa的低压下，且在约390℃的温度下进行退火约100分钟。在退火期间，p侧电极18c的Pd膜32被氧化，从而在接触层14c附近形成PdO膜30。
在通过光刻、干法蚀刻等选择性去除了Pd膜32的区域中，通过去除接触层14、p型发光层58、n型发光层56和部分接触层54，暴露接触层54。通过光刻、EB蒸发等依次沉积Ti、Pt和Au，形成n侧电极22。在未形成p侧电极18c和n侧电极22的区域中，形成适当的保护性绝缘膜(未示出)，例如SiO2、Si3N4等。在p侧电极18c的前表面中在与n侧电极22相反侧上形成用于连接接合金属线的衬垫电极20。
通过切片等，将衬底50分离成约300μm见方的LED芯片。通过银(Ag)膏等在热沉上安装LED芯片。通过将接合金属线例如Au线分别连接到衬垫电极20和n侧电极22，制成LED。
通过接合金属线将电流注入到制成的LED中。注入的电流约为20mA，其中工作电压约为2.9V。当注入的电流增大到约200mA时，已确认工作电压约为3.5V，且LED稳定地工作。由此，在根据本发明第二实施例的LED中，可以实现低的工作电压，并可提高可靠性。
(其它实施例)
在本发明的第一和第二实施例中，已说明了对氮化物半导体发光元件的p侧电极的应用。然而，作为p侧电极，PdO膜不仅可以应用于氮化物半导体，也可以应用于具有宽带隙的半导体例如硒化锌(ZnSe)、氧化锌(ZnO)、碳化硅(SiC)和金刚石(C)。另外，根据本发明的PdO膜不仅可用于发光器件，也可用作载流子运输型器件例如场效应晶体管(FET)的欧姆电极。在这种情况下，也可降低工作电压，并提高可靠性。
在此引入2005年6月13日提交的日本专利申请P2005-172585的整个内容作为参考。
在存储了本公开的内容之后，本领域技术人员可以在不脱离其范围的情况下进行各种修改。

Claims (17)

1.一种半导体器件，包括：
p型氮化物半导体层；以及
p侧电极，包括连接到所述氮化物半导体层的表面的氧化钯膜，
其中所述氧化钯膜包括硫化铂结构型氧化钯晶体。
2.根据权利要求1的半导体器件，其中包括在所述氧化钯膜中的所述硫化铂结构型氧化钯晶体的百分比含量不小于50％。
3.根据权利要求1的半导体器件，其中所述p侧电极包括在所述氧化钯膜表面上的钯膜。
4.根据权利要求3的半导体器件，其中所述p侧电极包括在所述钯膜上的铂膜。
5.根据权利要求3的半导体器件，其中所述p侧电极包括在所述钯膜表面上的部分由氧化镍制成的第一含镍膜以及在所述第一含镍膜表面上的金膜。
6.根据权利要求5的半导体器件，其中所述p侧电极包括在所述金膜上的部分由氧化镍制成的第二含镍膜。
7.根据权利要求6的半导体器件，其中包含在所述第一含镍膜中的氧的摩尔分数小于在所述第二含镍膜中的氧的摩尔分数。
8.一种制造电极的方法，包括以下步骤：
在p型半导体层上沉积钯膜；以及
通过在氧气氛中退火所述半导体层以便氧化邻近所述半导体层的所述钯膜，形成氧化钯膜，
其中所述氧化钯膜包括硫化铂结构型氧化钯晶体。
9.根据权利要求8的方法，其中在200℃至400℃的温度范围内进行所述退火。
10.根据权利要求8的方法，还包括以下步骤：
在所述退火之前在所述钯膜上沉积铂膜。
11.根据权利要求8的方法，还包括以下步骤：
在所述退火之前在所述钯膜上依次沉积镍膜和金膜。
12.根据权利要求8的方法，其中所述半导体层是氮化物半导体。
13.一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：
在衬底上生长包括发光层的外延生长层，并在所述外延生长层上生长p型接触层；
在所述接触层上沉积钯膜；以及
通过在氧气氛中退火所述衬底以便氧化邻近所述接触层的所述钯膜，形成氧化钯膜，
其中所述氧化钯膜包括硫化铂结构型氧化钯晶体。
14.根据权利要求13的方法，其中在200℃至400℃的温度范围内进行所述退火。
15.根据权利要求13的方法，还包括以下步骤：
在所述退火之前在所述钯膜上沉积铂膜。
16.根据权利要求13的方法，还包括以下步骤：
在所述退火之前在所述钯膜上依次沉积镍膜和金膜。
17.根据权利要求13的方法，其中所述接触层是氮化物半导体。
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